Въведение в операционните усилватели: 7 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

В тази инструкция ще дам въведение в операционния усилвател, едно от най -полезните аналогови устройства. Това устройство може да бъде конфигурирано като неинвертиращ или инвертиращ усилвател, компаратор, усилвател на напрежение, сумиращ усилвател, инструментален усилвател, буфер, активен филтър, виенски мостов осцилатор плюс много други приложения. Опампът се предлага в различни конфигурации, като например единствения LM741 8 -пинов DIP или 14 -пиновия четириядрен усилвател LM324, показан по -горе. Има и видове, които се предлагат във варианти за повърхностен монтаж.

Стъпка 1: Какво е операционен усилвател?

Операционният усилвател, известен също като операционен усилвател, е DC усилвател с напрежение с висока печалба, вграден в IC чип. Те имат два входа (диференциален вход) и един изход. Те се използват като градивни елементи в аналоговата електроника, откакто първите устройства излязоха в края на 60 -те години. Една от красотите на тези устройства е, че те значително опростиха електронния дизайн поради естеството на тяхната стандартизация. Проектирането на усилватели с дискретни компоненти включва много ощипвания поради различията между активните устройства. Ако всички усилватели са изградени от една и съща силиконова матрица, всички те могат да бъдат направени еднакви и да имат еднакви характеристики. При проектиране с операционни усилватели, специфична печалба за устройството може да бъде получена чрез инсталиране на два външни резистора със специфично съотношение на съпротивлението. Например, ако се иска усилване на напрежението от 100, 100k резистор и 1k резистор могат да бъдат поставени във веригата, за да се получи съотношение 100. Използвайки тази стратегия, печалбата е една и съща всеки път. Най-популярният операционен усилвател за всички времена е 741, който съществува от началото на 70-те години и се използва от поколения любители във всичко-от аудио усилватели до захранващи устройства. 741 не се използва от индустрията от много години, защото са разработени по-добри операционни усилватели, но те все още имат привърженици сред любителите и са лесни за получаване. Първите устройства излязоха или в 8 -пинов двоен вграден стил, или в кръгла метална кутия. По -късно станаха достъпни устройства за повърхностно монтиране. 741 и други оп-усилватели от неговия ретро използват биполярни транзистори с устройства, използващи полеви транзисторни входове, излизащи по-късно. Транзисторните входове с полеви ефекти започнаха да се използват поради необходимостта от по -голям входен импеданс и по -нисък ток на източване.

Стъпка 2: Неинвертиращият усилвател

Неинвертиращият усилвател е първата верига, която ще обхванем. В горната диаграма операционният усилвател е свързан с входа, който отива към положителния вход, а резисторът за обратна връзка отива към отрицателния вход. Съотношението на Rf към Rg определя печалбата. В случая на горната верига, усилването на напрежението е 10. Диаграмата в средата на ограниченията на "реалния свят" на 741 операционен усилвател, когато квадратна вълна от 10 kHz се подава във входа, но излиза като триъгълна форма на вълната поради ограничената скорост на превключване на устройството. Когато входът се понижи до квадратна вълна от 1 kHz, изходът се подобрява и прилича повече на истинска квадратна вълна. Измерването на способността на операционния усилвател да следи промените в амплитудата на входния сигнал се нарича "Скорост на завиване" и се измерва във волта на микросекунда. 741 има много опитомена оценка при 0,5 волта на микросекунда. Високоскоростните операционни усилватели имат рейтинги до 5000 волта на микросекунда, въпреки че типичен като TL081 ще има среден рейтинг от 13 волта на микросекунда.

Стъпка 3: Инвертиращият усилвател

Опампът може да бъде конфигуриран по такъв начин, че 1-волтова отрицателна вълна да бъде обърната и усилена, за да даде 10-волтова положителна вълна. Използването на тази конфигурация може да бъде навсякъде, където е необходима промяна на фазата, например в етапите на драйвера на дискретни транзисторни усилватели.

Стъпка 4: Използване на операционен усилвател като преобразувател на квадратна вълна към синусоидална вълна

Горната схема ще промени квадратна вълна от 1000 Hz на синусова вълна от 1000 Hz. Той прави това, като филтрира всички честотни компоненти (хармоници) над и под фундамента, което е синусоида. Вместо да използваме резистори във веригата за обратна връзка, ние използваме честотно избираеми компоненти (кондензатори), които осигуряват отрицателна обратна връзка, за да премахнат нежеланите честоти. Средната диаграма показва действителната симулирана верига и произведената форма на вълната. Третата диаграма показва честотната характеристика на веригата. Техническото име на този тип верига е активен лентов филтър. Той позволява преминаването само на много тесен диапазон от честоти, без да бъде отслабен.

Стъпка 5: Използване на операционен усилвател като сравнител

Има специални чипове, които са по -добри за сравнение, но понякога може да нямате такъв под ръка, така че винаги е полезно да знаете как да направите сравнител от opamp. Бърз преглед на това какво е сравнител, по същество това е операционен усилвател, настроен като усилвател без обратна връзка, което позволява на усилвателя да работи с максималната си печалба. Когато един вход е свързан към определено напрежение, като например 3 -те волта, показани на диаграмата, веригата ще даде изход, който е почти максималното напрежение на шината, когато двата входа са на едно и също напрежение. В случая на горната схема, синусоидална вълна от 1 kHz дава изход, когато се издигне над 3 волта и се превключва отново, когато синусоидната вълна падне под 3 волта. Сравнителите обикновено се използват в (ADC) и релаксационни осцилатори.

Стъпка 6: Изграждане на сумиращ усилвател с Opamp

Сумиращият усилвател по -горе приема два сигнала от 1 kHz, един от 10 mV пик до пик и друг от 20 mV пик до пик. Полученият резултат е 60 mV от пик до пик. Тъй като това е инвертиращ усилвател, той излъчва сигнал с противоположна фаза.

Сумиращи усилватели се използват в аудио миксери, където трябва да се добавят различни входове. Чрез подаване на сигнали в потенциометри, сигналите могат да бъдат променяни, за да дадат желания изход.

Стъпка 7: Аудио миксер с три входа

Тази схема може да се използва за смесване на два инструмента и вокална песен, като може да се добавят още входове според нуждите. Всяко входно ниво може да се регулира независимо с потенциометрите.